工业生物技术的崛起

工业生物技术的崛起

以催化为核心的化学工业是世界上最大的基础产业之一，2001年全世界化学工业的产值大约为1.6万亿美元左右。中国的化学工业2002年产值大约为0.96万亿元左右。化学工业的特点是以不可再生的化石资源（石油、煤炭、天然气等）为原料，以化学催化剂为手段，实现物质转化。在l9～20世纪以不可再生的化石资源为经济基础的近代工业文明取得了辉煌的成就，而进入21世纪，面对化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧的严重局面。一方面化石资源在地球上储量是有限的，现已逐步走向衰竭。可开采石油储量仅可供人类使用大约50年，天然气75年，煤炭200～300年。另一方面，目前地球所面临的环境危机直接或间接与化石燃料的加工和使用有关。如化石燃料燃烧后放出大量CO2、SOx、NOx等，被认为是形成局部环境污染、产生酸雨以及温室气体等环境问题的根源。人类面临着前所未有的生存与发展的危机。因此，目前化学工业的生产模式必须要进行彻底的变革，转向以生物可再生资源为原料，生物可再生能源为能源，环境友好、过程高效的新一代物质加工模式。其核心技术是工业生物技术。

近年来，随着基因组学、蛋白质组学等生物技术的飞速发展，大大地推动了工业生物技术的基础研究和应用研究。人们普遍认为工业生物技术将是生物技术革命的第三次浪潮。世界经合组织（OECD）指出：“工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术”。

工业生物技术是以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。它为医药生物技术提供下游支撑，为农业生物技术提供后加工手段。

2000－2020年将是世界各国大力发展生物质能的关键时期。目前，生物能源的主要形式有燃料酒精、生物柴油、沼气、生物制氢等。

燃料酒精是目前应用最广泛的生物燃料，是较为理想的汽油替代品，已在一些国家和地区得到广泛使用。目前我国酒精年产量为300多万吨，仅次于巴西、美国，列世界第三。中国发展燃料酒精不应采用粮食转化的路线，需要发展木质纤维素生产酒精的综合利用技术，需要大力发展高效产糖的C4能源植物，如新品种甜高粱和甘蔗等。

生物柴油是脂肪酸与低碳醇在催化剂的存在下，发生酯化反应，形成脂肪酸甲酯或乙酯，可代替柴油燃烧。生物柴油环境友好，无需对现有柴油发动机进行任何改造即可使用，且对发动机有保护作用。立足于本国原料大规模生产替代液体燃料——生物柴油，对增强我国石油安全具有重要的战略意义。发展我国生物柴油，亟需解决油脂资源的生产问题。

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物发酵作用而生成的以甲烷为主的可燃气体。由葡萄糖厌氧消化产甲烷的能量转换效率可高达87%，是其他加工技术所难以达到的。沼气发酵可以综合利用有机废物和农作物秸秆，对水资源和土壤等再生和资源化有促进作用。许多国家已把沼气开发列入国家能源战略。我国是世界上沼气利用开展得最好的国家，沼气技术相当成熟，目前已进入商业化应用阶段。

生物制氢是利用某些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术，所用原料是阳光和水，也可以是有机废水、秸秆等，来源丰富，价格低廉，生产过程清洁、节能。德国、英国、美国、日本、以色列、瑞典等许多同家的政府部门，对氢能源的开发及其应用技术的研究都给予了高度重视。我国对该领域的基础研究也给予大力支持。

世界经合组织2004年9月的研究报告指出：“各国政府应大力支持和鼓励生物质能源领域的技术创新，缩小它与传统原油及天然气产品的价格差距，以最终达到替代的结果。”欧盟委员会提出，到2020年，运输燃料的20%将用燃料乙醇等生物燃料替代；欧盟25国一直在促进生物燃料的使用，目的是用绿色能源替代基于石油的化石燃料。由于近年来燃油税的征收，欧盟各国生物燃料的使用率正逐年上升，2000年全部交通运输燃料中只有0.2%是生物

燃料，2003年已增加到0.6%。欧盟的中期目标是，到2010年生物燃料的使用率达到 5.75%。日本制定了《阳光计划》，而印度则有《绿色能源工程计划》。菲律宾通过了一项用生物酒精逐步替代汽油的法案。它要求在全国供应的汽油中加入不少于5%的乙醇，4年后将提高到10%。同时它对投资和生产生物乙醇的企业还给予政策上的优惠，例如对进口设备实行关税减免、优先获得低息贷款等。巴西认为生物柴油是一场新能源革命，是世纪技术工程。目前，巴西政府规定，在柴油中添加2%的生物柴油，到2013年将增加到7%。随着巴西几座生物柴油厂的诞生，每年将节约进口资金4.25亿美元。美国在2000年通过了《生物质研发法案》，2002年提出了《发展和推进生物质基产品和生物能源》报告和《生物质技术路线图》，成立了生物质项目办公室和生物质技术咨询委员会。《路线图》指出：“这份报告预示了一个充满活力的新行业将在美国出现，它将提高我们的能源安全、环境质量和农村经济，它将生产我们国家相当大一部分的电力、燃料、化学晶和其它关键性产品。”美国众议院批准在2002年度拨款500万美元资助生物质研究和提供赠款，从2003年至2007年每年拨款1400万元，以鼓励建设生物提炼工厂，把生物质改变为化学物质、燃料和能源。同时法案还规定，政府必须优先购买基于生物的产品。美国计划到2020年，生物燃油取代全国燃油消费量的10%，生物质基产品取代石化原料制品的25%，减少相当于7000万辆汽车的碳排放量约1亿吨，每年增加农民收入200亿美元。欧盟、日本、巴西、加拿大、印度等也争先恐后地投入了这场国际竞赛，欲拔头筹。日本早在1998年10月的《21世纪国家生物工业发展圆桌会议报告》中就认为，21世纪生物工业在工业中将会扮演一个战略性的角色。日本政府从2001年开始实施“基于利用生物机能的循环产业体系的创造”的计划，重点开发用于生产各种化学物质的细胞及相关应用体系，将生物催化过程视为能够和环境协调的技术。

中国也十分重视工业生物技术的发展。国家中长期科学与技术规划中将工业生物技术列为重点研究的领域。国家重大基础研究计划（973计划）将生物催化项目立项。国家高技术研究计划（863计划）中增列工业生物技术专题。我国工业生物技术产业发展也较快。如目前我国的谷氨酸和柠檬酸产量为世界第一，但是技术水平和国外还有一定差距。总体来说，我国是工业生物技术产业大国，但还不是强国。

我国每年有7亿多吨作物秸秆，相当于农田生物量的70%或3.5亿吨标准煤没有很好利用，其中2亿吨被就地焚烧。每年有2亿多吨林地废弃物未被利用并构成火灾隐患。每年有25亿余吨畜禽粪便及大量有机废弃物，相当于3亿吨标准煤未被利用和成为水体的污染源。每年有1000多万公顷农田因覆盖石油基塑料地膜而导致土壤肥力衰退。此外，尚有1亿多公顷(稍少于现耕地面积)不宜耕种的农田，但可种植高抗逆性能源植物的边际性土地。这些农林废弃物和边际性土地，对生物质产业而言，是一笔非常宝贵的能量资源和物质财富，而且还可减排数亿吨二氧化碳和消除作物秸秆就地焚烧及畜禽粪便的污染。可用全降解生物基塑料替代不可降解的石油基塑料，保护耕地肥力和根治白色污染。我国已经进入用工业反哺农业的发展阶段。利用农村丰富的生物质资源发展生物制造产业，可以提高农业资源利用，增加农民收入，全面推进传统农业向现代农业的转变，能拓展农业内部的就业容量，延伸农村二、三产业的就业空间，大量吸纳农村富余劳动力，加快城镇化以及缩小工农和城乡差别。